混凝土结构原理

混凝土和钢筋共同工作的原因

（1）混凝土和钢筋之间有良好的工作性能，两者之间通过界面粘结力可靠地结合在一起，可共同受力，共同变形。

（2）两者的温度线膨胀系数很接近，避免产生较大的温度应力破坏两者的粘结力，混凝土：1.0×10-5~1.5 ×10-5，钢筋： 1.2 ×10-5

（3）混凝土作为钢筋的保护层，可以防止钢筋锈蚀。

混凝土结构的优缺点

（1）优点： a.就地取材。砂石都是混凝土的主要成分，均可就地取材，可用工业废料、建筑垃圾制作骨料，配置再生混凝土,用材合理。b.耐久性好，钢筋因受到保护不易锈蚀。耐火性好，混凝土为不良导热体，埋置在混凝土中的钢筋受高温影响远较暴露的钢结构小。C.整体性好，现浇或装配整体式的混凝土结构具有良好的整体性，从而使结构的刚度及稳定性都比较好，有利于抗震、抵抗震动和爆炸冲击波。D.可模性好，阻止射线的穿透。

（2）缺点：自重大，易开裂，耗模板，施工工序多、周期长，且易受天气、季节影响，拆除、改造难度大。

碳元素对钢筋的性能的影响

钢筋的主要化学成分是铁元素，还有少量的碳锰硫磷硅等元素。增加钢筋中的碳含量可以提高其屈服强度和抗卡强度，刚进的塑性、冲击韧性、腐蚀稳定性随之降低，可焊性和冷弯性能变差。

冷加工钢筋

（1）冷拉：把有明显屈服点的钢筋用卷扬机或其它拉伸装置逐根拉到其应力超过原有的屈服强度，使之进入应力应变的强化阶段，然后卸掉全部拉力，使钢筋应力全部恢复到零，并停留一段时间。（K点的选择：应力控制和应变控制。特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提高，塑性下降）（2）冷拔：用强力把光圆钢筋通过比其本身直径稍小的、硬质合金模上的锥形拔丝孔，使钢筋产生塑性变形，横截面减小，长度增大。（经过冷拔后钢筋强度提高，塑性降低，没有明显的屈服点和流幅；冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度）。

混凝土结构对钢筋的要求

（1）强度要求：保证经济性。屈服强度和极限抗拉强度，抗震设计时还要求有一定的屈强比。

（2）塑性要求：保证结构延性，给人以破坏的预兆。伸长率和冷弯要求。

（3）可焊性：钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形，保证焊接后的接头性能良好。

（4）与混凝土的粘结性：保证钢筋和混凝土共同工作。

（5）耐火性和耐久性强。钢筋应具有较强的耐久性和耐火性能。

试块尺寸对混凝土性能的影响

试验表明，混凝土立方体试块尺寸越大，实测破坏强度越低，反之则越高，这种现象称为尺寸效应。一般认为，这是由混凝土内部缺陷和试件承压面摩擦力影响等因素造成的，试件尺寸大，内部缺陷（微裂缝，气泡等）相对较多，端部摩擦力影响力较小，故强度较低。根据我国的实验结果，对于边长为200mm和100mm的立方体试件，实测的立方体抗压强度分别是边长150mm的立方体试件相应强度的0.95倍和1.05倍。

混凝土抗压强度的测定条件

（1）标准试块尺寸：我国标准规定用边长为150mm的标准立方体试块。

（2）标准养护条件：试块在[温度（20±3℃），相对湿度≥90%]下养护28天或设计规定龄期。

（3）标准试验方法：在压力机上中心加载，加载速度为0.15-0.25N/mm2.s，试件上下表面不涂润滑剂。

测得的破坏时的平均压应力作为混凝土的立方体抗压强度。

各强度等级中的数字部分表示以N/mm2.s为单位的立方体抗压强度标准值。

粘结力：

当钢筋与混凝土之间产生相对变形（滑移），在钢筋和混凝土的交界面上产生沿钢筋轴线方向的相互作用力，此作用力称为粘结力。

粘结力包括哪几部分（即粘结力的组成）：

（1）化学胶结力——钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（一般很小，一旦产生相对滑移即消失）。

（2）摩擦力——混凝土收缩后将钢筋紧握产生的摩擦力，钢筋表面越粗糙，摩擦力越大。（钢筋表面微锈摩擦力增加）。

（3）机械咬合力——钢筋表面凹凸不平与混凝土产生的机械咬合作用（是变形钢筋粘结力的主要组成部分）。

（4）钢筋端部的锚固作用——钢筋端部的弯钩、弯折，在钢筋端部焊短钢筋、短角钢等措施。

结构抗力

（1）定义：指结构或构件承受作用效应的能力，如承载力、刚度和抗裂度等。混凝土结构构件的截面尺寸、混凝土强度等级、钢筋的种类、配筋的数量及方式等确定后，构件截面便具有一定的抗力。

（2）影响因素：材料性能（强度、变形模量等）、几何参数（构件尺寸等）和计算模式的精确性（抗力计算所采用的基本假设和计算公式是否精确）。

作用效应

施加在结构上的集中力或者分布力，以及引起结构外加变形和约束变形的原因。指作用引起的结构或构件的内力、变形和裂缝等。是随机变量

作用的分类

（1）结构的反应特点分：静态作用：使结构产生的加速度可以忽略不计的作用，如自重；动态作用：使结构产生的加速度不可忽略的作用，如地震、吊车荷载等

（2）按时间变异性分：永久作用：在设计基准期内量值基本不变，如自重；可变作用：在设计基准期内量值随时间变化且其变化与平均值相比不可忽略，如楼面活荷载、吊车荷载等；偶然作用：在设计基准期内不一定出现，而一旦出现，其量值很大且持续时间很短的作用，如地震、爆炸等

（3）按空间位置的变异性分：固定作用：在结构上具有固定的分布，如自重、固定设备荷载等；自由作用：在结构上一定范围内可以任意分布的作用，如人群荷载。

材料强度与荷载的设计值和标准值的关系

材料强度标准值是结构设计时才用到材料强度的基本代表值，也是生产中控制材料性能质量的主要指标，在钢筋混凝土结构中，钢筋和混凝土的强度标准值是按标准试件用标准试验方法测得的具有95%以上保证率的强度值。

材料强度设计值=材料强度标准值/材料分项系数。

荷载标准值是荷载的基本代表值，是荷载的基本代表值，是指具有一定概率的最大荷载值。

荷载设计值=荷载分项系数×荷载标准值。

大偏心受压破坏（受拉破坏）

只要受压区相对高度不至于过小，混凝土保护层不是太厚，受压钢筋不是过分靠近中和轴，受压钢筋的强度不是太高，则在混凝土压碎时，受压钢筋一般能达到屈服强度。

破坏时主要特征：

破坏从受拉区开始，受拉钢筋首先屈服，受压钢筋也能达到屈服，而后受压区混凝土被压坏。有明显预兆，塑性破坏。

小偏心受压破坏（受压破坏）

当构件截面中轴向压力的偏心距较小或者很小，或者虽然偏心距较大，但配置的受拉钢筋过多时，构件发生小偏心受压破坏。

小偏心受压破坏共有的关键性破坏特征：

构件是由受压区混凝土被压碎所引起的。压应力加大一侧的受压钢筋压应力一般能达到屈服强度。压应力较小一侧钢筋不论是受压还是受拉，应力一般达不到屈服强度。

构件破坏前变形不会急剧增长，但受压区垂直裂缝不断发展，破坏时没有明显预兆，属于脆性破坏。工程中不可避免使用小偏心受压柱，《规范》中计算公式采用较高的可靠指标。

两种偏心构件的根本区别：混凝土受压破坏时受拉纵筋A s 是否受拉屈服。

大、小偏心受压构件判别条件：

当b ξξ≤时，为 大 偏心受压；当b ξξ>时，为 小 偏心受压。（当相对受压区高度小于等于界限受压区高度时，为大偏心受压，当相对受压区高度大于界限受压区高度时，为小偏心受压。）

附加偏心距e a 指的是什么含义和哪些因素有关。

偏心受压构件截面轴向压力的偏心距 为：e 0=M/N,其中M 和N 分别为界面的

弯矩设计值和轴向压力设计值。由于工程中实际存在这荷载作用位置的不定性、混凝土质量的不均匀性及施工偏差等因素，都可能产生附加的偏心距 e a 。当 e 0 比较小时，e a 对构件承载力的影响较显著，随着轴向压力偏心距的增大，e a 影响

力逐渐减小。《混凝土结构设计规范》规定，在两类偏心受压构件的正截面承载力计算中，均应计入轴向压力在偏心方向的附加偏心距e a 。为计算方便其值取

20mm 和偏心方向截面最大尺寸的1/30两者中的较大者。

考虑挠曲二阶效应的计算，什么时候考虑二阶效应？

当压弯构件两端弯矩值不同且差异较大时，二阶效应较小。因此，《混凝土结构设计规范》规定，对弯矩作用平面对称的偏心受压构件，当同一主轴方向的杆端弯矩比M 1/M 2不大于0.9且设计轴压比N/f c A 不大于0.9时，若构件的长细

比l c /i 满足下式的要求，即??

? ??-=211234M M i lc 。可以不考虑该方向构件自身挠曲产生的附加弯矩影响，取?ns =1；其中i 为截面回转半径。

无腹筋梁斜截面受剪性能

破坏形态

（1）斜压破坏

<1)（对均布荷载作用下跨高比为L/h<3）时。此破坏集中荷载距支座较近(a/h

系由梁中主压应力所致。破坏前在梁腹部将首先出现一系列相互平行的腹剪斜裂缝，向支座和集中荷载作用处发展，将梁腹分割成若干斜向受压杆件，最后由于砼斜向压酥而破坏。

（2）剪压破坏

<3) （对均布荷载作用下跨高比为3

梁中剪压区压应力和剪应力联合作用所致。梁承受荷载后，先在剪跨段内出现弯剪斜裂缝，随荷载增加，在数条弯剪斜裂缝内出现一条延伸较长，宽度较大的主要斜裂缝，称为临界斜裂缝。随着荷载继续增加，临界斜裂缝不断向加载点延伸，受砼受压区不断减小，最后剪压区砼在剪应力和压应力的共同作用下达到复合应力状态下的极限强度而破坏。

（3）斜拉破坏

剪跨比较大(a/h

>3) （对均布荷载作用下跨高比为L/h>9）时。特点是斜裂缝一

出现便很快发展，形成临界斜裂缝，并迅速向加载点延伸是砼截面裂通，梁被斜向拉断成两部分而破坏，破坏时，沿纵向钢筋往往产生水平撕裂裂缝。

（4）其它破坏：局部挤压破坏，纵筋的锚固破坏等。

有腹筋梁斜截面受剪性能

破坏形态

（1）斜压破坏

箍筋数量过多时，箍筋未屈服，斜裂缝间的砼因主压应力过大而发生斜压破坏。

此破坏系由梁中主压应力所致，承载力取决于构件的截面尺寸和f

c。

（2）剪压破坏

箍筋数量适当时。斜裂缝出现后，原来由砼承担的拉力转由与斜裂缝相交的箍筋承受，箍筋未屈服时，由于箍筋限制了斜裂缝的延伸和扩展，荷载上能有较大的增长。箍筋屈服后，箍筋应力不增长应变迅速增加，箍筋不能限制斜裂缝的发展和延伸，剪压区砼在剪压复合应力下达到混凝土极限强度，发生剪压破坏。

（3）斜拉破坏

箍筋数量过少、间距较大或剪跨比较大时。特点是斜裂缝一出现，原来由砼承受的拉力转由箍筋承受，箍筋很快屈服，变形急剧增加，不能抑制斜裂缝的发展。破坏欲无腹筋梁相似，发生斜拉破坏。

影响斜截面受剪承载力的主要因素

（1）剪跨比：直接影响到梁中的应力状态，是影响集中荷载下受剪承载力的主要因素之一。

◆剪跨比l 大，荷载主要依靠拉应力传递到支座

◆剪跨比l 小，荷载主要依靠压应力传递到支座

（2）混凝土强度：斜截面受剪承载力随混凝土的强度等级的提高而提高。

（3）配箍率和箍筋强度：在配箍适当的范围内，梁的受剪承载力随配箍量的增多、箍筋强度的提高而有较大幅度的增长。

公式的适用范围

上限值—最小截面尺寸

为防止由于配箍率过高而发生箍筋不屈服，梁腹混凝土被压碎的斜压破坏，并控制斜裂缝宽度，需保证构件截面尺寸不要太小。 当b

h w ≤4时，属于一般的梁，应满足 0c c 25.0bh f V β≤ 当b

h w ≥6时，属于薄腹梁，应满足 0c c 2.0bh f V β≤ 当4.0< b

h w <6.0时，按线性内插 下限值—箍筋最小含量

为了避免发生斜拉破坏，《规范》规定，梁中配箍率应大于最小配箍率，箍筋最小配筋率为yv

t 1sv min v,s 24.0f f bs nA ==ρ。 当取min ,sv ρρ=时，对一般受弯构件0t 0yv 0t cs 4.90/24.07.0bh f bh f f f bh f V yv t =??+= 对集中荷载下的独立梁 0t 0yv 0t cs 24.0175.1/24.0175.1bh f bh f f f bh f V yv t ??? ??++=??++=λλ 影响裂缝宽度的因素分析

（1）纵向受拉钢筋的应力：裂缝宽度与受拉钢筋应力近似成正比，钢筋应力越大，裂缝越宽，不宜采用高强钢筋。

（2）纵筋直径d ：随着d 增大，裂缝间距l cr 增大，w max 增大。采用多根细直径钢筋可减小d ，增大钢筋表面积，使粘结力增大，裂缝宽度减小。

（3）纵向受拉钢筋的表面形状：带肋钢筋d eq 小，l cr 减小，w max 减小，因带肋钢筋粘结强度高与光圆钢筋，裂缝截面处，钢筋通过粘结应力将拉力传递给砼达到砼抗拉强度所需要的距离要小。

（4）纵向受拉钢筋的配筋率：配筋率越大，钢筋应力越小，裂缝宽度越小

（5）混凝土保护层厚度：c 越大，l cr 越大，裂缝宽度越大。

（6）荷载性质：荷载长期作用下裂缝宽度较大，反复动力荷载作用下裂缝宽度增大。

（7）构件受力性质：αcr

（8）混凝土强度等级：对裂缝宽度影响不大。

计算裂缝的最大宽度应注意以下几点：

（1）最大裂缝宽度是受拉钢筋合力位置的高度处构件侧表面的裂缝宽度，适用于20 mm≤ c s ≤65mm 的情况；

（2）对混凝土保护层厚度较大的梁，设置表层钢筋网片有利于减小裂缝宽度，此时可将计算求得的裂缝宽度适当折减，折减系数可取0.7。

（3）直接承受A1-A5级工作制吊车的受弯构件，满载可能性小，上式乘以降低系数0.85；

（4）e 0/h 0 ≤0.55的构件不作裂缝宽度验算。

裂缝的最大宽度

由裂缝的统计特性，按95%的保证率

，（轴拉，偏态分布）

，（弯，正态分布）m m w w w w 9.166.1max max == 考虑到长期荷载下，混凝土徐变影响导致裂缝继续扩大，取扩大系数为1.5

)08.09.1(max te eq s s cr d c E w ρσψ

α+=

受弯构件的变形与刚度 匀质弹性材料梁的跨中挠度 f 为20l EI

M f β= 混凝土受弯构件的跨中挠度 f 为20l B

M f β= 2020max l l EI

M f βφβ== B 仍称为受弯构件的弯曲刚度，但由于混凝土是不均匀的非弹性材料，其变形模量 E'c 随截面应力增大而减小，而裂缝截面的惯性矩 I c 也随裂缝开展而显

著降低，加之混凝土材料具有比较明显的徐变、收缩等“时随”特性，需要考虑长期荷载的影响，因而确定钢筋混凝土构件的弯曲刚度 B 要较确定匀质材料梁 EI 复杂得多。

钢筋混凝土纯弯段截面抗弯刚度的特点 ：

(1)随着荷载的增大（弯矩增大）B 不断降低

（2）随着配筋率的降低而减小

（3）沿构件的跨度，截面抗弯刚度是变化的

（4）随加载时间的增长而减小

混凝土受弯构件的变形验算中用到的抗弯刚度是指构件上一段长度范围内的平均截面抗弯刚度，考虑到荷载作用时间的影响，有短期刚度B s 和长期刚度B l 两种。

短期荷载效应(荷载准永久组合)时的挠度对应的刚度为短期刚度B s 考虑荷载长期作用效应时的挠度对应的刚度为长期刚度B l (徐变、裂缝的不断

发展等等)

最小刚度原则就是在同一符号弯矩区段内弯矩最大M max 截面处的最小刚度B min 作为该区段的刚度以计算构件的挠度。